TiAl合金表面激光重熔等离子喷涂MCrAlY涂层热力耦合有限元分析

根据激光重熔的特点,采用ANSYS有限元软件中的间接热力耦合方法,建立了TiAl合金表面激光重熔等离子喷涂NiCoCrAl-Y2O3涂层热力耦合有限元模型,对激光重熔温度场和应力场进行了分析.通过该计算模型,可以掌握激光重熔以及冷却过程中温度场和应力场随时间的变化规律.在温度场和应力场分析的基础上,讨论了激光重熔层中裂纹形成的机理及影响因素,并提出了一些解决重熔层裂纹产生的主要方法.     

温度场模拟激光熔覆TC11钛合金工艺参数的选择

以通过激光熔覆修复钛合金薄壁件并在钛合金表面获得优质激光熔覆涂层为目标,运用ANSYS软件对同步送粉式激光熔覆的温度场进行了三维建模数值模拟。基于该模型对激光熔覆过程中的温度场分布和工艺参数进行了分析。结果表明,激光扫描方向前方的表面温度场相比后方熔池温度小,等温线密集,温度梯度大,熔覆两道后熔覆道1没有重熔,并且对熔覆道2产生预热作用。激光加工的快速加热和冷却的特性显著,冷却时的冷却速度可达104℃/s,在其他工艺参数不变的情况下,理论上在激光功率P=1100 W,扫描速度v=4 mm/s,光斑直径d=1 mm 时模拟过程可获得良好的冶金结合,为修复薄壁零件提供了借鉴和指导作用。     

钛合金表面激光重熔等离子喷涂MCrAlY涂层温度场数值模拟

根据激光重熔的特点,考虑了材料热物性参数、换热系数、相变潜热随温度变化的因素,应用ANSYS的参数化设计语言建立了TC4钛合金表面激光重熔等离子喷涂NiCoCrAl-Y2O3涂层连续移动三维温度场有限元模型,并分析了激光功率和扫描速度对温度场的影响.结果表明与激光功率相比,激光扫描速度对试样温度场的影响较小.实验结果较好地验证了模拟结果,表明所建立的温度场计算模型是正确和可靠的.通过该计算模型,可以掌握激光重熔过程加热和冷却规律,为制备高性能的MCrAlY涂层优化工艺参数提供依据.     

基于移动高斯热源的激光抛光瞬态有限元三维数值模型

本研究模拟CO2连续激光器抛光Ti6Al4V材料的工艺过程,利用可移动的高斯热源模拟激光源,建立有限元三位数值瞬态模型进行模拟实验,来模拟TC4材料表面轮廓的融化与凝固过程,该数值模型耦合了温度场与速度场,研究由于表面张力温度系数而产生的表面张力对抛光熔池的影响,通过改变高斯光源的不同功率强度、扫描速度,来分析对抛光过...     

激光重熔路径对再制造涂层残余应力及表面质量的影响

为进一步提高再制造合金层表面质量，提升其综合力学性能，通过数值模拟与试验相结合的方式，研究激光重熔路径对熔覆层残余应力及表面质量的影响机理。首先，基于Simufact Welding软件平台分别建立了激光熔覆及三种不同扫描路径下的重熔模型，仿真研究重熔过程温度场及应力场变化规律。然后，进行了激光重熔工艺试验，通过X射线残余应力检测仪、基恩士超景深显微镜对再制造合金层的残余应力及表面形貌进行检测分析。仿真结果表明，重熔过程中工件表面各点的温度梯度比熔覆过程有明显的降低，重熔前工件最大残余应力为269.59 MPa，经激光重熔后，工件的残余应力得到明显的降低，且L1型重熔路径下工件的残余应力值最小，仅为重熔前应力值的1/2左右。残余应力试验结果与仿真计算数值偏差在10%以内，证明了仿真计算的准确性。通过对合金层的表面形貌进行三维提取发现，激光重熔能有效降低熔覆层表面粗糙度。     

连续激光表面重熔平面—非平面系合金的数值模拟

本文对连续激光表面重熔铝硅、铁碳合金温度场的变化,及快速凝固的微观组织形态的演绎进行了数值模拟,以期通过对这两种典型的f-nf系合金的研究,得到f-nf系合金在激光表面重熔下微观组织形态演绎的共同特征。数学模型在能量平衡方程的基础上,考虑到激光束空间Gauss分布特性,计算了物体表面温度场三维分布,在此基础上结合枝晶分布KGT模型以及共晶分布经修正的TMK模型,建立起一个完整的从激光重熔到共晶生长的计算模型。利用此模型模拟计算了f-nf合金激光重熔后,快速凝固的微观组织的共晶生长的范围。     

多脉冲飞秒激光烧蚀金属箔的热电子发射数值分析

通过双温模型(TTM)结合Richardson-Dushman方程对多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射以及温度场进行了数值模拟。在模拟的过程中充分考虑了随着飞秒激光脉冲个数的改变,铜箔对飞秒激光的反射率、表面吸收率和表面吸收系数的变化等因素,部分改写了飞秒激光光源项,从而实现了多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射和温度场的动态数值模拟。数值模拟发现,随着脉冲个数的增加和脉冲间隔的减小,铜箔表面的反射率和表面吸收系数将明显减小,表面吸收率将明显增大,这一变化对铜箔的电子发射以及多脉冲飞秒激光照射下铜箔的温度场具有重要影响;而随着距铜箔表面深度的增加,这些影响将逐渐减小。     

快速激光重熔的二维瞬态模型

通过采用有限元与多层网格法,求解热传导和对流方程,建立了模拟快速激光重熔的二维瞬态模型,并用该模型模拟了高扫描速度(2m/s)与低扫描速度(0.2m/s)情况下,时变的脉冲激光与连续激光重熔的物理过程。模拟结果显示,激光扫描速度对熔池内的流线分布的较大影响,从而影响到重熔后材料表面的成分分布。低扫描速度不材料表面同一区域可被多个脉冲加热,而高扫描速度下只被一个脉冲加热。熔池表面的形状在重熔过程中呈现中心凹陷,边缘凸起。此外,还通过模拟结果得到了熔池的大小、形状、平均冷却速度和边缘材料冷却速度,这些冷却速度对于分析材料表面的微观结构是有用的。     

脉冲激光钼表面氮化处理温度场的数值模拟

本文用有限差分法对金属钼表面脉冲激光生成氮化钼薄膜过程的温度场进行了三维数值模拟计算,计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射的脉冲激光在时间与空间上的分布以Gauss分布考虑,同时考虑工件尺寸、工件材料热物理性质及对流辐射造成的表面热损失等对温度场的影响,此外还从理论上计算了激光脉冲在脉冲宽度加宽后的温度场变化,分析了利用长脉冲激光进行材料表面相变硬化和激光重熔的可行性。     

GCr15轴承钢激光强化温度场及组织结构

应用宽带扫描技术对GCr15轴承钢进行激光强化处理实验,实测激光相变硬化区的硬度和深度.采用有限元软件对激光强化过程中的温度场进行数值模拟,数值模拟结果与实验结果符合较好.激光淬硬层显微硬度分布主要与激光加热时温度场分布有关,奥氏体化过程中渗碳体的溶解和奥氏体中碳的浓度决定了最终微观结构和表面硬度.表面温度高、奥氏体化时间相对较长及冷却速率快导致了表面的高硬度.表面最高温度接近熔化温度时,仍含有一定数量的未溶渗碳体.     

TC4激光立体成形中基材热影响区组织性能优化研究

激光立体成形技术是一项基于同步送粉激光熔覆的先进制造技术。激光立体成形和修复过程中沉积层、热影响区以及基体材料组织、性能的差异将对最终零件的性能,尤其是疲劳性能产生重要影响。为改善基体、热影响区(HAZ)的组织、性能差异,针对TC4合金,提出在激光沉积前对基材表面进行多次激光重熔扫描预处理,从而优化基材热影响区组织性能。基于此,通过研究不同工艺条件下,多次激光重熔处理对热影响区组织性能的影响。结果表明:首先,多次激光重熔将引起的基材热影响区总体冷却速率下降,从而有效的消除热影响区的急冷组织;其次,重熔处理产生的多次热循环对基材热影响区的时效处理对于热影响区的组织、性能(硬度)也有一定的影响。通过在多层沉积前对基材进行适当的激光多次重熔扫描处理有效改善了沉积区、热影响区以及基材性能的大幅波动,实现了均匀渐变。     

42CrMo钢表面单道激光宽带处理后熔凝层的残余应力

基于有限元软件SYSWELD平台,建立激光熔凝三维有限元模型,编制宽带热源的FORTRAN子程序,采用不同的工艺参数对42CrMo钢表面的单道激光宽带熔凝区的组织和残余应力进行数值计算与分析.测定了激光熔凝表层的热循环曲线,利用扫描电镜(SEM)观察熔凝区相变.结果表明,工艺参数对熔凝区残余应力分布状态影响较大,激光线能量密度(ρE)过高或过低,均影响熔凝层的表面成型质量;当激光束输出功率为3500 W,扫描速率在600~1000 mm/min时(即ρE=20.9~35.0 J/mm2),熔凝区可获得有利的残余压应力分布.42CrMo钢母材组织为铁素体 珠光体,经激光处理后,熔凝区组织转变生成的马氏体相比例高达95%以上.     

大功率激光作用下小孔形成数值模拟

激光深熔焊以小孔效应为特征,小孔使得激光束流与被焊接材料之间的耦合效率大大提高。小孔内的逆轫致吸收使得激光能量逐步衰减。另一方面,小孔内等离子体向熔池传热,起到焊接内热源的作用。因此,利用建立组合体热源模型,选择旋转高斯热源和双椭球形体热源模拟激光能量的分布,结合SIMPLE算法,求解不可压缩流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,得到了大Péclet数下的小孔形态。模拟结果显示,控制容积法中的体热源传热方式不同于有限元法的表面热流密度分布方式。最后,将模拟结果和钛合金激光焊接的焊缝形状和尺寸进行了对比,说明所选择的体热源模型在激光深熔焊模拟中具有较好的适应性。     

脉冲Nd：YAG激光表面熔凝流场与热场的数值模拟

以合金相交多区域统一模型为基础，利用数值模拟方法，对脉冲Ｎｄ：ＹＡＧ激光表面熔凝过程的非稳态温度场和熔区内的流场进行了理论分析。能量方程求解中考虑了固液相变潜热的吸收与释放；合金元素气化热损失、自然对流与辐射热损失；动量方程求解中考虑了热表面张力与浮力联合驱动流。结合实验条件计算了１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢在低频脉冲熔凝情况下熔区的形状和尺寸，并与实验解剖进行了比较。结果表明，在占空比较小时，系列脉冲中每一脉冲形成的表面熔区形状和尺寸可用定点轴对称脉冲模型很好地近似。     

不锈钢材料的光纤激光掩膜微细电解复合加工

光纤激光掩膜微细电解复合加工是激光表面重熔与微细电解加工的结合,是加工微细型腔的有效方法。根据光纤激光掩膜微细电解复合加工的加工原理,搭建复合加工平台并进行工艺试验。对光纤激光掩膜表层物质进行XRD测量,结合有限元法建立热源模型分析激光加工参数对激光掩膜的影响,对不锈钢表层进行电化学极化曲线测量,最后进行工艺试验对得出的结论进行验证。研究结果表明:激光重熔表面耐腐蚀性较好,在微细电解加工过程中对材料基体起到很好的保护作用,选取适当的激光加工参数能够加工出精细的微型腔结构。     

基于体热源的激光透射焊接PA66温度场模拟

目前国内激光透射焊接温度场模拟大多采用面热源,无法考虑炭黑含量的影响。为此,文中使用Ansys的APDL语言构建了基于体热源的三维瞬态有限元模型,采用该模型对PA66的激光透射焊接温度场进行了模拟,并将模拟结果与面热源下的模拟结果、实验结果分别进行对比。结果发现,由体热源模型模拟得到的焊缝热影响区形貌与实际热影响区形貌较为接近,模型预测的热影响区尺寸也与实测值保持着较高的吻合度,表明体热源能较好地表征炭黑含量对焊接结果的影响,并在温度场模拟方面明显优于面热源。     

激光填丝多层焊温度场和应力场的数值模拟

基于有限元计算软件MARC,对16 mm厚低合金高强钢激光填丝多层焊温度场和应力场进行了三维数值模拟。利用生死单元法,采用热流密度线性衰减高斯圆柱热源模拟匙孔效应,双椭球模型模拟焊丝受热过程。计算结果与实际结果对比,两者基本吻合。计算结果表明,层间保温能够有效降低接头冷却速度,减小激光填丝焊残余应力,改善厚板多层焊接头性能;多层焊应力集中主要位于中下部焊道及其热影响区;焊接中坡口有收缩趋势,焊后工件有一定角变形。     

不锈钢薄板激光焊热源模型的探讨

通过实际施焊试验,优选出1.2mm厚不锈钢板对接激光焊的焊接工艺参数,用该参数在ANSYS有限元分析软件中对其焊接温度场进行了模拟.建立高斯表面热源与双椭球体热源叠加的组合热源模型,通过对焊缝截面形状的比较探讨了该组合热源中的两种热源模型的功率分配.选用面热源与体热源功率之比为3∶7时模拟出的焊缝截面形状与实际施焊的结果最为接近,并且显著优于采用单个热源模型加热时的模拟结果.     

激光热源形成过程的定量描述

研究了热传导方程的通解，进而提出激光热源形成的微观机理和热源形成过程的三个理论计算式。对激光热效应的应用具有指导意义。     

化学反应热效应对激光熔凝区几何特征的影响

为了研究附加化学反应热的激光熔凝区特征,采用在低合金钢表面预制Mg,Al和Fe3O4涂层进行激光处理,得到了化学反应热影响激光熔凝区形貌的实验结果。结果表明,引入化学反应热源,使激光熔化区宽度、热影响区宽度和深度增加,熔化区的深宽比降低;Al和Fe3O4涂层的熔化深度比表面黑化处理的熔深深,Mg和Fe3O4涂层的熔化深度比表面黑化处理的熔深浅;利用多元合金氧化物还原化学反应热和激光形成复合热源,可以快速形成多元合金共渗的熔凝层。